Dinámica de la barrera hematoencefálica en la  homeostasis cerebral

Los vasos sanguíneos del sistema nervioso central (SNC) constituyen la puerta primaria de entrada que regula el acceso de moléculas transportadas por la sangre al cerebro y actúan como una interfase entre el cerebro y las influencias periféricas. Esta barrera física que solamente permite el transporte molecular selectivo a través de las células endoteliales (CE) y el parénquima cerebral es conocida como la barrera hematoencefálica (BHE). El sustrato anatómico de la BHE es la unidad neurovascular (UNV), un ensamble celular constituido por la asociación funcional de CE, pericitos (embebidos con las CE en la lámina basal) y astrocitos, apoyados por otros tipos de células del SNC. Las CE en el SNC intervienen en el transporte paracelular a través de complejos de proteínas que forman uniones estrechas  y permiten el paso de nutrientes y metabolitos solamente a través de un transporte finamente regulado y limitan la entrada de productos no deseados vía transportadores y transcitosis restringida. Aunque el endotelio es esencial en la UNV, su función es regulada por impulsos de células adyacentes como pericitos, astrocitos, microglias y neuronas. La disfunción de la BHE puede contribuir al inicio y desarrollo de desórdenes neurodegenerativos, daño cerebrovascular y condiciones neuroinflamatorias. Sin embargo, las variaciones fisiológicas de la BHE en condiciones  saludables y los mecanismos que regulan las propiedades de la BHE para restaurar la homeostasis cerebral son incompletamente entendidas.

   La BHE es una estructura altamente dinámica  en el intercambio de moléculas entre la circulación sanguínea y el cerebro en respuestas a los ajustes homeostáticos en salud y enfermedad. A lo largo de la vida, la BHE se adapta a continuos cambios en diferentes estados fisiológicos. El feto es protegido de sustancias dañinas circulantes en la sangre materna por la placenta. Sin embargo, la BHE ya está formada en el embrión y confiere protección adicional al SNC en desarrollo. En el enfoque clásico, la BHE era concebida como inmadura en las etapas fetal y perinatal, pero los estudios recientes han modificado este concepto, demostrando que la BHE ya es funcional en el embrión, aunque las alteraciones en la barrera podrían tener un gran impacto en el desarrollo de un cerebro altamente vulnerable. En humanos, los componentes de la barrera son detectables a las 12 semanas de gestación. En roedores, la BHE se forma alrededor de los 13,5-15,5 días de vida embrionaria y requiere el reclutamiento de pericitos, pues la interacción pericito-CE es necesaria para el establecimiento de las uniones estrechas y la regulación de la transcitosis. El desarrollo de la BHE sigue un patrón espacio-temporal en sincronía con otros procesos de vascularización y desarrollo neuronal, como la formación de plexos vasculares intraneurales o la migración cortical y tangencial de neuronas.

   La complejidad de la organización celular de la UNV aumenta en la vida postnatal con la incorporación de los astrocitos. Los astrocitos y los pericitos, reguladores de la expresión de moléculas necesarias para la integridad de la BHE,  son requeridos para el mantenimiento de la barrera en el adulto. Los componentes moleculares de la BHE difieren entre neonatos y adultos; en el estado perinatal, la expresión de las proteínas de las uniones estrechas (claudina-5 y ocludina) y los componentes de la matriz extracelular (laminina y colágeno IV) es mayor que en los adultos, mientras la expresión del receptor del factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGFR) β, marcador de pericitos, aumenta gradualmente con el tiempo. Estas diferencias moleculares entre la UNV en desarrollo y la adulta pueden repercutir, por ejemplo, en la integridad de la BHE bien preservada en ratas neonatales después de un shock agudo en comparación con el daño vascular en adultos. Por el contrario, los niños y los animales jóvenes son más susceptibles a la degradación de la BHE después de una infección. Una posible explicación es que los animales jóvenes pueden desarrollar una respuesta inflamatoria aguda mediada por neutrófilos más severa junto con degradación de la BHE en comparación con los adultos.

   La pubertad es un período transicional crítico en el cual el cuerpo, incluyendo el cerebro, experimenta una transformación hacia la adultez. Las hormonas sexuales inducen sinaptogénesis,  remodelación de espinas dendríticas, modulación del crecimiento cerebral, potenciación del dimorfismo sexual en algunas regiones cerebrales durante la adolescencia.  Las hormonas esteroides, debido a su pequeño tamaño y solubilidad en lípidos, pueden cruzar  la BHE bidireccionalmente. Aunque los tratamientos con testosterona y estradiol disminuyen la permeabilidad de la BHE, poco se conoce acerca de los efectos del pico de hormonas sexuales sobre la integridad de la BHE en la adolescencia.

   Una vez que se alcanza la madurez sexual, en caso de embarazo, la BHE se adapta a las nuevas condiciones fisiológicas. El embarazo requiere vasculogénesis y angiogénesis activas, con niveles circulatorios aumentados de factor de crecimiento endotelial  vascular (VEGF) y factor de crecimiento placentario, conocidos por su capacidad para promover la permeabilidad vascular. En ratas, los potenciales efectos de estos factores circulantes sobre la integridad de la BHE son contrabalanceados durante el embarazo por la liberación del receptor de VEGF 1 soluble en la circulación materna, lo cual previene la degradación de la BHE y el edema cerebral durante la gestación. Adicionalmente, el embarazo también se caracteriza por la secreción de múltiples hormonas y citoquinas que potencialmente pueden afectar la función neuronal. La BHE se adapta al embarazo modulando la expresión de transportadores de entrada y salida y previniendo el paso  de suero en el cerebro que podría provocar daño cerebral. La inhibición de transportadores de salida induce una rápida y sostenida actividad en el hipocampo preferencialmente  en ratas embarazadas. Durante el embarazo, el sistema cerebrovascular también está expuesto a fluctuaciones hemodinámicas que pueden afectar  la permeabilidad de la BHE. Por ejemplo, en ratas embarazadas, la hipertensión aguda incrementa la permeabilidad de la BHE. Más aún, la expresión del canal de agua aquaporina-4, localizado en astrocitos y terminales nerviosos aumenta durante el embarazo con un pico en la mitad de la gestación. Este incremento tiene una potencial asociación con la formación de edema en respuesta a la hipertensión patológica.

   Durante el envejecimiento reproductivo, se ha reportado una disminución en la liberación de esteroides sexuales y un incremento en la secreción de gonadotropinas en la menopausia/andropausia. Hay una correlación entre la producción de gonadotropinas después de ovariectomía y el aumento de permeabilidad de la BHE. Cuando la ovariectomía es realizada en ratas adultas jóvenes y reproductivamente senescentes,  la degradación de la BHE puede ser mitigada por tratamiento con estradiol en animales jóvenes. Sin embargo, en ratas viejas con mayor disrupción de la BHE en comparación con los animales jóvenes,  el suplemento hormonal  es inefectivo. La depleción de testosterona gonadal incrementa la permeabilidad de la BHE en ratones machos y la suplementación con testosterona en ratones castrados restaura la integridad de la BHE. Las hormonas sexuales y las gonadotropinas regulan la expresión de uniones estrechas y uniones gap (hemicanales que conectan la membrana plasmática de CE adyacentes) en diferentes lechos vasculares. En ratas ovariectomizadas, el tratamiento con estradiol también incrementa la expresión del transportador de glucosa GLUT1 en las CE del cerebro.

   Las imágenes de resonancia magnética de alta resolución en humanos revelan un incremento progresivo de la permeabilidad de la BHE con la edad en el hipocampo, el cual se agrava en individuos con deterior cognitivo leve, sugiriendo que el incremento de la permeabilidad de la BHE en el hipocampo puede contribuir al desarrollo de  la demencia. Adicionalmente, la degradación de la BHE puede ser un biomarcador temprano de enfermedad de Alzheimer (EA). En los individuos con disrupción de la BHE se ha encontrado un aumento del nivel del marcador de pericitos PDGFR en el líquido cerebroespinal, sugiriendo que el daño de los pericitos podría ser un biomarcador efectivo de la degradación de la BHE. En línea con esta observación, los estudios con ratones con deficiencia de pericitos han demostrado una progresiva disrupción de la BHE dependiente de la edad señalada por la acumulación de proteínas plasmáticas y macromoléculas neurotóxicas en el parénquima cerebral. Asimismo, se ha reportado que la efectividad del transportador de salida P-glucoproteína (P-gp) disminuye con la edad en individuos sanos, especialmente en hombres. La disminución de la función de P-gp también se ha observado en pacientes con EA, en línea con los estudios que conectan la patología de la EA con disfunción de la BHE. Más aún, el envejecimiento influye en la calidad del sueño y, en ratones, el sueño fragmentado está asociado con degradación de la BHE y extravasación de la citoquina pro-inflamatoria factor de necrosis tumoral (TNF)-α en el parénquima  cerebral. Esto sugiere que las sustancias circulantes pueden impactar sobre el endotelio cerebral y modular la integridad de la BHE en diferentes etapas de la vida. Por ejemplo, en un estudio con un modelo de parabiosis heterocrónica se identificó al factor de diferenciación de crecimiento (GDF) 11 como uno de los factores circulantes que podría manejar la rejuvenización. El GDF11 no cruza la BHE, pero actúa directamente sobre los vasos sanguíneos induciendo la liberación del factor de permeabilidad VEGF.

   El funcionamiento del SNC requiere un adecuado soporte nutricional para sostener la función neuronal. El mantenimiento de niveles balanceados de nutrientes esenciales en el ambiente del SNC requiere que estos nutrientes sean transportados a través de la BHE.  Los macronutrientes (glucosa, ácidos grasos y aminoácidos) entran en el cerebro atravesando la BHE a partir de la sangre circulante principalmente vía trasportador  o transcitosis mediada por receptor. Más aún, algunos micronutrientes [niacina (vitamina B3), piridoxina (vitamina B6), inositol, folato y ácido ascórbico (vitamina C)] son transportados activamente a través de la BHE y se mantienen en altas concentraciones en el cerebro en comparación con otros tejidos. El mal funcionamiento de estos sistemas de transporte puede provocar deficiencias nutricionales en el cerebro a pesar de tener adecuados niveles en el resto del  cuerpo. Algunos de estos micronutrientes (ácido ascórbico y folato) y ciertos iones (Na⁺, Cl^- y HCO₃^-) tienen acceso al cerebro a través del plexo coroideo en el líquido cerebroespinal, constituyendo un reservorio a partir del cual estos nutrientes difunden lentamente en el líquido extracelular, haciendo a las concentraciones en el SNC resistentes a la depleción en el cuerpo. En modelos animales, la malnutrición o los desbalances dietéticos debidos, por ejemplo,  a dietas hipoproteicas o ricas en grasas alteran la función de la BHE. Sin embargo, estos efectos están asociados con un estado inflamatorio, lo cual hace difícil determinar los efectos directos de la malnutrición sobre la función de la BHE.

   Otra avenida interesante en el contexto de la nutrición y la BHE es la dieta cetogénica. En la dieta cetogénica, el consumo de carbohidratos es drásticamente reducido en favor del consumo de un alto contenido de grasa y un moderado contenido de proteínas. Como resultado, el cuerpo recibe una mínima fuente dietética de glucosa, la cual es  requerida para todas las necesidades metabólicas y los ácidos grasos se convierten en  la mayor fuente de producción de energía celular. Los ácidos grasos no cruzan fácilmente la BHE, pero en el hígado son metabolizados en cetonas, las cuales cruzan la BHE y, en ausencia de glucosa, son la fuente de energía preferida para el cerebro. Las cetonas cruzan la BHE por difusión pasiva o mediante transportadores  monocarboxilato, los cuales son expresados por CE del cerebro, glias y neuronas que en última instancia oxidan las cetonas para obtener ATP. La dieta cetogénica es conocida por sus importantes efectos terapéuticos en patologías como epilepsia y deficiencia del transportador de glucosa 1 (GLUT1), un desorden metabólico que afecta al sistema nervioso causado  por el pobre transporte de glucosa  a través de la BHE, lo cual a su vez podría cambiar el ecosistema de organismos simbióticos en el tracto gastrointestinal (microbiota intestinal).

   La creciente evidencia demuestra una comunicación bidireccional entre la microbiota intestinal, el ecosistema de microorganismos residentes en el tracto gastrointestinal, y el cerebro, referido como el eje intestino-cerebro (o eje microbiota-intestino-cerebro). La microbiota intestinal envía señales al cerebro a través de varias rutas, incluyendo mecanismos neurales, endocrinos e inmunes a través de la producción de metabolitos bacterianos como ácidos grasos de cadena corta, aminoácidos de cadena ramificada y peptidoglucanos. La microbiota intestinal puede influir en la fisiología cerebral y las alteraciones en la composición de este ecosistema microbiano están involucradas en la patogénesis de varias enfermedades. Un estudio reciente en ratones libres de gérmenes reporta que  una carencia completa de microbiota intestinal provoca disfunción de la BHE causada, al menos en parte,  por una disminución de las proteínas ocludina y claudina-5. Este mismo estudio señala que la integridad de la BHE puede ser restaurada por la recolonización de microbiota intestinal, implicando un rol causal de la microbiota intestinal. En otro estudio, ratones tratados con una dosis baja de antibióticos administrada a la madre durante el embarazo y la lactancia, mostraron incrementos en los niveles de expresión de ocludina y Claudina-5 en hipocampo de machos y hembras. Más aún, los ratones machos también mostraron un incremento de ocludina en la corteza frontal.

   La obesidad impacta negativamente sobre la salud. El tejido adiposo no solo está involucrado en el almacenamiento de energía, también es un órgano endocrino que  secreta factores bioactivos colectivamente conocidos como citoquinas (adipoquinas). En la obesidad, la secreción de estas citoquinas, las cuales pueden ser anti- o pro-inflamatorias, es desregulada. En la medida que el tejido adiposo se expande, secreta grandes cantidades de adipoquinas pro-inflamatorias, como interleuquina (IL)-6 y TNF-α, las cuales pueden provocar respuestas inflamatorias y disfunciones metabólicas asociadas con obesidad.  Más aún, estas adipoquinas pueden cruzar la BHE por un mecanismo de transporte saturable, aunque no está claro si la obesidad causa un cambio en el transporte de estas adipoquinas a través de la BHE. La obesidad también provoca una reducción del transporte a través de la BHE de proteínas involucradas en la regulación del apetito y la ingesta de alimentos en el SNC, incluyendo leptina e insulina. Un estudio en adultos mayores demuestra una elevación significativa de la relación líquido cerebroespinal/albúmina en suero, una característica de disrupción de BHE, en sujeto obesos en comparación con individuos delgados. La obesidad también incrementa el estrés oxidativo a través de diferentes mecanismos como hiperleptinemia, baja defensa antioxidante, inflamación crónica, generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), lo cual puede contribuir a la disrupción de la BHE mediada por la obesidad. Por el contrario, el ejercicio físico influye positivamente en la integridad de la BHE a través de efectos anti-inflamatorios y antioxidantes. Los niveles de insulina en el SNC también dependen de una BHE funcional. Las CE cerebrales regulan el transporte de insulina a través del  receptor de insulina y vía trancitosis mediada por receptor. Este transporte de insulina puede ser alterado por factores fisiológicos y patológicos incluyendo hiperglucemia y estado diabético. La resistencia a la insulina acelera la disminución cognitiva e incrementa el riesgo de demencia. En este contexto, los estudios demuestran que la disrupción de la integridad de la BHE precede a la disfunción cognitiva en humanos.

   La BHE es sensible a influencias externas o ambientales. Las temperaturas extremas afectan la permeabilidad de la BHE y los estudios demuestran una asociación entre hipertermia y disrupción de la BHE. La hipertermia es de particular interés debido a sus efectos perjudiciales en el SNC, un simple episodio de hipertermia puede causar disfunción neurológica y cognitiva en el corto o largo plazo. El estrés hipertérmico se puede originar a partir de una temperatura externa elevada (por ejemplo, sobrecalentamiento del cuerpo a más de 40^oC) o por deficiencia del sistema termorregulador del cuerpo (por ejemplo, fiebre extrema), lo cual eventualmente provocará una elevación de la temperatura cerebral. Un cierto nivel de termotolerancia puede desarrollarse en células o tejidos después de episodios repetidos de hipertermia, a través de la expresión de proteínas de shock térmico. Este fenómeno ha sido descrito en CE cerebrales en un modelo de BHE in vitro y podría tener un efecto protector de la disrupción de la BHE en los próximos episodios hipertérmicos. En el otro extremo, la hipotermia cerebral profunda induce una leve degradación de la BHE y activación de glias. Sin embargo, en ratas, la hipotermia local aplicada tempranamente  después de un episodio de shock térmico tiene un efecto protector, reduciendo significativamente la disrupción de la BHE a través de la disminución de la pérdida de proteínas de las uniones estrechas.

   Entre los factores externos que inducen disrupción de la BHE, la hipoxia es probablemente el más estudiado. La hipoxia es el punto final de muchos desórdenes como shock, paro cardiaco, disfunción  respiratoria y envenenamiento con monóxido de carbono, pero también puede ser causada por reducción de la presión parcial del oxígeno atmosférico, por ejemplo, en altas altitudes. La disrupción de la BHE por hipoxia puede resultar en  incremento de la permeabilidad, edema vasogénico y daño tisular. La hipoxia induce la expresión del factor inducible por hipoxia-1 (HIF-1), un regulador transcripcional del gen Vegf. El VEGF es expresado principalmente por los astrocitos activados en el estrés hipóxico e induce cambios en las proteínas de las uniones estrechas como ZO-1, claudina-5 y ocludina. El VEGF también induce aumento de la permeabilidad vascular vía liberación de óxido nítrico (NO) a través de la activación de la sintetasa de NO endotelial (eNOS). La hipoxia también ha sido asociada con aumento de la transcitosis endotelial y varios mediadores incluyendo NO, entrada de calcio, liberación de citoquinas inflamatorias y alteraciones hemodinámicas pueden ser responsables de esta alteración. Los diferentes tipos de células de la UNV exhiben distinta sensibilidad a la privación de oxígeno: las CE cerebrales son marcadamente más sensibles que los pericitos y los astrocitos y los pericitos más sensibles que los astrocitos. La tolerancia diferencial de estas células se correlaciona con los niveles de oxígeno que experimentan en condiciones fisiológicas.

   El estrés oxidativo se caracteriza por un incremento de ROS y especies reactivas de nitrógeno (RNS). El consumo de oxígeno relativamente alto por el cerebro (en humanos, aproximadamente 25% del resto del cuerpo en condiciones de reposo) aumenta la susceptibilidad del cerebro al estrés oxidativo. El estilo de vida, el envejecimiento y factores ambientales externos o factores genéticos individuales influyen en el grado de estrés oxidativo en el SNC. Para contrarrestar esto, el cerebro y sus CE están equipados con potentes sistemas de defensa contra el estrés oxidativo, incluyendo un incremento en glutatión (GSH), glutatión peroxidasa, glutatión reductasa y catalasa. El GSH juega un importante rol en el mantenimiento de la integridad de la BHE. El cerebro sano también contiene antioxidantes como superóxido dismutasa y factor relacionado con NF-eritroide-2. Las CE cerebrales tienen  un alto contenido de mitocondrias para producir energía y satisfacer la alta demanda de mecanismos de transporte dependientes de energía  y, por tanto, juegan un rol esencial en el mantenimiento de la BHE. Sin embargo, está descrito que las CE cerebrales obtienen la mayor parte de su  energía a partir de la glucólisis anaeróbica y el rol principal de las mitocondrias es la de un organelo de señalización (por ejemplo, para la regulación del tono vascular). En cualquier caso, la alta demanda de actividad mitocondrial en las CE cerebrales inevitablemente involucra la generación de un incremento de estrés oxidativo.

   La exposición a distintos tipos de estrés psicológico activa respuestas fisiológicas para mantener la homeostasis y esta adaptación puede afectar al cerebro de varias maneras. En condiciones de estrés psicosocial, la integridad de la BHE es modulada por estímulos neuroendocrinos. En humanos, el trauma psicológico en la infancia está asociado con incremento en el nivel en suero de la proteína astrocítica S100β, un biomarcador de  disrupción de la BHE. Más aún, el estrés psicosocial agudo tiene efectos pro-inflamatorios mediados por la activación de mastocitos y está asociado con apertura de la BHE. La hipótesis emergente de estos hallazgos postula que la neuroinflamación inducida por el estrés promueve alteraciones en la UNV y modula la integridad de la BHE.

   En conclusión, la permeabilidad de la BHE es altamente dinámica y responde a múltiples señales intrínsecas y extrínsecas para asegurar la homeostasis cerebral después de alteraciones de diferente origen. Los cambios en la permeabilidad de la BHE generalmente son manejados por sustancias que circulan en la sangre como metabolitos, hormonas o citoquinas que tienen un efecto directo sobre el endotelio cerebral o inducen una respuesta inflamatoria leve que altera la función de la UNV. Las variaciones en la BHE han sido documentadas en varios contextos, incluyendo cambios durante el desarrollo, el embarazo y el envejecimiento en respuesta a factores ambientales como estatus nutricional, temperatura extrema y estrés psicosocial. El envejecimiento, en particular, es un período susceptible a disfunción de la BHE, lo cual puede contribuir a la neurodegeneración y el declive cognitivo.

Fuente: Segarra M et al (2021). Blod-brain barrier dynamics to maintain brain homeostasis. Trends in Neurosciences 44: 393-405.